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Motores com injeção Eletrônica e direta

Qual a próxima inovação em motores que vai deixar os laboratórios?

Explicado o porquê alguns motores têm ambos, injeção eletrônica e direta.

Metade da frota de novos carros e caminhões nos EUA agora vem equipados com injeção direta de gasolina (também conhecida com GDI) – o que significa que o combustível é espalhado diretamente na câmara de combustão. Isso levanta a questão: Qual a próxima inovação em motores que vai deixar os laboratórios?

A resposta consiste em trazer o combustível ao fogo por dois caminhos diferentes e algumas montadoras já estão equipando seus motores tanto com injeção direta quanto com eletrônica. A Toyota introduziu essa tecnologia, chamada injeção D-4S, em um motor V-6 há mais de uma década atrás e agora usa injeção eletrônica e direta em seu motor liso de 2.0 litros (construído pela Subaru), 3,5 litros V-6 e 5,0 litros V-8. A Audi tem isso em seus motores V-6 3.0 litros e V-10 5,2 litros.

Atualmente a Ford é a competidora dominante no que se chama combustível duplo, direção direta de alta pressão (DI) e direção eletrônica de baixa pressão (PI). Aplicações incluem motores V-6 e V-8, gasolina, a turbo e naturalmente aspirados – quatro em um – variando num tamanho entre 2,7 a 5,0 litros. O F-150 Raptor 2017 Pickup Voadora e GT Supercar são ambos alimentados por um novíssimo EcoBoost 3,5 litros V-6 muito bem equipados. Um F-150 pé no chão também depende fortemente dessa tecnologia com uma base a combustível duplo nos 3,3 litros V-6 e no opcional EcoBoost 2,7 – e em 3,5 litros V-6. A aplicação mais recente anunciada pela Ford foi no novo V-8 5,0 litros que alimentará o Mustang GT 2018.

Os Básicos.

Antes de me aprofundar nos pontos positivos em juntar PI com DI, uma base no assunto se faz necessária. Ao contrário do retrato que Hollywood faz de carros despencando de penhascos, não existe nada igual a combustão espontânea. Por conta do fato que a gasolina liquida não vai queimar, preparar o combustível que vem do tanque pra queimar no motor é um processo em dois passos.

O passo um é vaporizar o líquido em gotas finas, resultado conseguido através do processo de forças a gasolina pressurizada, impulsionando-a por pequenos orifícios injetores. Um estudo realizado pelos engenheiros da Hitachi revela que, combustível pressurizado a 1000 psi e injetado através de orifícios de tamanhos entre 0,006 até 0,011 polegadas de diâmetro, produziram uma névoa de 135 mph em gotas de apenas 0,000003 polegadas de diâmetro. Tá bom.

Vaporização se segue da atomização. Aqui, as gotas finas de combustível passam pela mudança de fase do líquido pro gás, se tornando vapor que pode ser misturado ao ar e incendiado pela vela de ignição.

Porque o calor é absolvido durante a fase de mudança, existe um efeito de resfriamento que pode ser usado para melhorar a eficiência de operação do motor. Com PI, o ar que flui através do coletor de admissão é resfriado antes de alcançar a câmara de combustão. Com DI, o benefício do resfriamento ocorre dentro da própria câmara.

Cada estratégia tem suas vantagens e desvantagens. PI é mais em conta para motores naturalmente espirados pois resfriar o ar que entra aumenta a densidade e o potencial de produção. É significativamente mais fácil localizar injetores nos orifícios de admissão, bem longe das válvulas e das velas de ignição. Essa localização superior provê um tempo amplo para ocorrer vaporização total. Um ponto negativo é que, algumas vezes as gotas de combustível são depositadas nas paredes de entrada, alterando a relação média pretendida entre ar e combustível.

Com DI as chances de detonação – ignição prematura da mistura entre combustível e ar – é diminuída pois o efeito de mudança de fase acontece durante o processo de compressão imediatamente antes da ignição. Diminuir a temperatura da superfície da câmara de combustão permite maiores níveis de compressão e eficiência melhorada, quer seja o motor naturalmente aspirado ou aspirado por indução. A Ford aumento o pico do torque em 30 libras-pé no seu novo 3,5 litros V-6, combinando uma nova estratégia de duplo combustível com maior pressão de reforço.

Existem pontos negativos para o DI. O sistema DI é mais caro pois a pressão necessária para injetar combustível na câmara de combustão é de 50 a 100 vezes mais alta que com PI, além de a pressão alta impor perdas parasitarias. Injetores diretos tendem a ser barulhentos. Depósitos de carbono – ambos nos lados de trás das válvulas de admissão e dos tubos de escape – são problemas de serviço para alguns usuários do DI. Por conta de ter menos tempo para ocorrer a vaporização, alguma quantidade de combustível escapa da câmara de combustão e do conversor catalítico como partículas de matéria ou fuligem. Essas partículas de carbono são similares, porém menos em tamanho, daquelas cuspidas pelos motores a diesel.

A Combinação

A estratégia final é combinar os benefícios de PI e DI, usando cada um para diminuir os problemas do outro. A Toyota, por exemplo, ativa ambos os injetores durante a transição do baixo ao médio carregamento e condições de rpm – em outras palavras, durante uma pilotagem comum. Isso aumenta a densidade da carga que entra sem liberar e impulsionar depósitos de carbono nas válvulas de admissão. Durante alta carga e alto rpm, quando o resfriamento máximo da câmara de combustão é necessário pois a detonação é mais provável, DI lida com toda a carga de combustível.

Peter Dowding, engenheiro chefe da For em sistemas de transmissão a gasolina, revelou uma estratégia diferente. A Ford usa o PI sozinho em marcha lente e situação de baixa rotação, para uma operação suave, silenciosa e eficiente do motor. Conforme a carga e o rpm vão crescendo, a entrega de combustível começa uma mistura programada entre PI e DI. Em contraste a metodologia da Toyota, o PI da Ford está sempre operando, responsável por, pelo menos, 5 a 10 por cento da entrega de combustível.

Dowding e seu colega engenheiro da Ford Stephen Russ, sublinham que os depósitos de carbono nos tubos de escape e válvulas de admissão nunca foram um problema em seus motores DI. Dowding faz o adendo: “Agora que os motores elétricos estão sendo usados para melhorar as funções de propulsão, nossa função é melhorar a eficiência do motor sempre que pudermos. A tecnologia de duplo combustível da Ford já provou ser valioso e lucrativa nesse esforço.

Desenhar e desenvolver motores modernos é um malabarismo que tenta equilibrar poder, emissões, quilometragem, durabilidade, dirigibilidade e outras preocupações. A estratégia de duplo combustível da aos engenheiros chaves adicionais para girar, conforme eles tentam destravar mais energia de cada partícula de gás. Conforme as lições são aprendidas e o custo dos componentes cai, aguarde mais montadoras adotando essa abordagem para ventilar seus fogos.

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